我國設施農田土壤重金屬污染評價與空間分布特征
本文收集了1997年以來我國設施農田土壤重金屬研究文獻的數據并對其進行統計分析，評價我國設施農田土壤重金屬污染現狀及空間分布。
結果表明我國設施農田土壤重金屬含量呈現一定的空間分布規律，南部地區土壤Cd、Pb和Hg含量最高，北部地區土壤As、Cu、Zn和Cr含量最高，西北部地區土壤Ni含量最高。與HJ/T333-2006《溫室蔬菜產地環境質量評價標準》相比，設施農田土壤Cd含量超標最嚴重，其在南部、北部和西北部地區的超標率分別為41.7%、54.5%和11.1%；其次是Pb，在3大區域的超標率分別為33.3%、18.2%和0。地累積指數評價結果顯示我國設施農田土壤Cd污染最嚴重，其次為Hg污染。另外，隨種植年限的延長，設施農田土壤重金屬累積明顯，且土壤重金屬的累積量隨土層加深呈下降趨勢。就重金屬的來源而言，我國設施農田土壤重金屬來源以肥料，尤其是畜禽糞便有機肥為主。
前言
20世紀90年代以來，隨著工業化和城市化進程的加快，工業污染物排放、含重金屬農藥化肥的使用以及采用污水灌溉等導致農田重金屬累積和超標等環境問題日益凸顯，已經引起了社會各界的高度關注。作為農田質量的一個重要評價指標，農田重金屬含量狀況越來越受到廣泛關注。我國設施農業自20世紀80年代以來發展迅速，2010年我國設施園藝面積達362萬hm2，其中，設施蔬菜面積為335萬hm2，占設施園藝總面積的90%以上，到2012年我國設施園藝面積已達386萬hm2，設施園藝產業凈產值達5800多億元。據統計，2015年北京市設施蔬菜和食用菌播種面積為34113hm2，占設施農業總播種面積的83.2%。
我國設施農業栽培常處于半封閉狀態，具有氣溫高、濕度大、蒸發量大、無雨水淋洗、無沉降、復種指數高、施肥量(尤其是有機肥)較大等特點，導致設施土壤理化性質和生物學性狀發生重大變化，主要表現為土壤酸化、鹽漬化，養分不平衡及過量累積，以及重金屬累積等。已有研究表明，設施栽培土壤中重金屬呈明顯累積趨勢，且含量顯著高于露地栽培土壤。設施菜地已經成為繼工礦/污灌菜地之后重金屬累積較嚴重的菜地類型，應該引起足夠重視。
近年來，雖然關于設施農田土壤中重金屬的研究報道較多，但各研究區域較小，且分布較為分散，不能綜合反映我國設施農田土壤重金屬污染的現狀。因此，筆者收集了1997年以來全國關于設施農田重金屬研究的數據，通過統計分析，闡述了不同地區設施農田土壤中重金屬污染現狀及空間分布特征，并探討設施農田土壤重金屬的主要來源，以期為我國設施農田土壤重金屬防控和農田質量安全提供科學依據。
1研究方法
1.1數據來源
相關統計數據主要檢索自中國知網(1997—2017年)、維普(1997—2017年)和WebofScience(1997—2017年)等數據庫中關于我國設施農田重金屬污染研究的文獻。共收集全國31個地區的數據，包括不同種植年限和不同土層重金屬含量和分布數據。收集的所有數據的分析方法均符合中國環境保護部規定方法或美國環境保護局(USEPA)推薦方法，數據來源真實可靠。符合正態分布的重金屬含量數據采用算術平均值描述；符合對數正態分布的重金屬含量數據采用幾何平均值描述；采用單因素方差分析(one-wayANOVA)檢驗差異顯著性。采用Excel2007和SPSS19.0軟件進行數據統計分析。
1.2數據分布情況
共收集全國各地31個地區的數據，按照農業氣候區劃和數據分布情況，將其分為3個區域：南部地區，包括上海、安徽、江蘇、浙江、湖北、云南和河南7個省(直轄市)；北部地區，包括北京、河北、天津、遼寧、吉林、黑龍江、山東和山西(部分地區)8個省(直轄市)；西北部地區，主要包括陜西、山西(部分地區)、內蒙古、甘肅、寧夏、青海和西藏7個省(自治區)。
1.3重金屬污染評價方法
地累積指數(Igeo)是由德國科學家Muller于1969年提出的，是一個基于重金屬總濃度與背景值的關系研究水環境沉積物中重金屬的定量指標，現在也常用于土壤重金屬污染評價，計算公式為
通常在地累積指數計算中，元素的地球化學背景值選取工業化前全球沉積物重金屬的平均背景值作為參考，由于不同地球化學背景可能造成各地重金屬污染程度不同，故選擇各省(直轄市、自治區)土壤重金屬含量背景值作為Bn。
2結果與分析
2.1設施農田土壤重金屬含量
由表2可知，我國設施農田Cd、Pb和Hg平均含量以南部地區為最高，比北部地區分別高42.5%、10.8%和100.0%，比西北部地區分別高137.5%、40.7%和15.8%；As、Cu、Zn和Cr平均含量均以北部地區為最高，其比南部地區分別高24.3%、13.2%、46.4%和13.9%，比西北部地區分別高38.9%、30.8%、20.9%和21.4%；而Ni平均含量則以西北部地區為最高，其比南部和北部地區分別高43.2%和12.9%。大部分設施農田種植蔬菜，故將數據與HJ/T333—2006《溫室蔬菜產地環境質量評價標準》進行比較，結果顯示Cd、Cu、Zn、Pb、Hg超標率分別為37.5%、8.1%、5.9%、18.8%和20.0%，其余元素未出現超標情況。其中，Cd含量超標最嚴重，南部、北部和西北部地區超標率分別為41.7%、54.5%和11.1%，Pb超標率分別為33.3%、18.2%和0，Hg超標率分別為29.8%、20.0%和0，Cu超標率分別為12.5%、10.0%和0，Zn僅在北部地區出現超標，超標率為11.1%。
2.2設施農田土壤重金屬污染評價
地累積指數法同時考慮了人為因素和土壤環境地球化學背景值對重金屬富集的影響，該方法最初應用于沉積物中重金屬含量評價，后來也廣泛應用于土壤環境中重金屬含量評估，是目前國內外土壤環境評價中廣泛采用的方法。不同地區設施農田重金屬地累積指數見表3。
由表3可知，南部地區Cd、Hg地累積指數平均值分別為1.05和0.20，分別顯示中度污染和輕度污染，其余元素地累積指數平均值均小于0，顯示無污染。南部地區Cd地累積指數顯示無污染、輕度污染、中度污染和中強污染的點位數分別占總點位數的33.3%、33.3%、22.2%和11.2%；與南部地區相似，北部地區Cd、Hg地累積指數分別為0.74和0.37，均屬輕度污染狀態，其余元素地累積指數均小于0，Cd無污染、輕度污染、中度污染和中強污染的點位數分別占總點位數的10.0%、40.0%、40.0%和10.0%。西北部地區Hg地累積指數平均值為1.45，達中度污染，但西北部地區Hg含量數據較少，無法全面地反映整體污染狀況，評價結果可能存在較大偏差；其余7種重金屬元素的地累積指數平均值均小于0，但個別地區Cd、Cu、Zn和Pb最大地累積指數大于0，說明西北部地區個別區域存在污染現象。從評價結果來看，我國設施農田重金屬污染最嚴重的是Cd污染，其次為Hg污染，此外，Cu污染也應引起重視。
2.3設施農田土壤重金屬累積趨勢
南部、北部和西北部3大區域不同年限設施農田重金屬含量的統計結果(表4)表明除南部地區Pb以外，經過>10a種植時間各區域土壤重金屬含量均呈現不同程度的增加，其中，Cd含量增幅最大。南部、北部和西北部地區>10a種植時間土壤Cd平均含量比<3a種植時間土壤分別增加103.8%、123.1%和110.7%；而土壤Cu含量分別增加50.0%、36.1%和61.1%，土壤Zn含量分別增加31.0%、23.2%和50.1%。從不同地區來看，種植時間>10a時，南部地區土壤As含量增加105.6%，而北部和西北部地區僅分別增加8.4%和3.8%；南部和西北部地區Ni含量分別增加63.5%和40.4%，而北部地區僅增加7.8%。西北部地區Cr含量增加56.1%，南部和北部地區分別增加12.6%和7.6%。此外，南部地區Pb含量出現隨年限增加而降低的情況，這可能是由于南部部分地區土壤Pb背景值較高。3大地區土壤在種植3~6a時重金屬含量增幅較大，這主要是由于當種植3~6a時，重金屬元素累積到限制作物正常生長的臨界濃度時，農戶便會采取一些措施來減少損失，如揭棚、翻耕甚至休耕等，待土壤條件稍有改善再進行種植，所以導致種植年限>6a后，重金屬累積速率有所下降。
2.4設施農田土壤重金屬垂直分布特征
不同地區設施農田土層重金屬含量的垂直分布特征見表5。由表5可知，各地區土壤重金屬含量隨土壤深度增加而下降，但個別土壤出現不減反增的情況。南部、北部和西北部地區>20~40cm土層與表層(0~20cm)相比，Cd含量分別降低43.3%、78.6%和33.3%，Cr含量分別降低41.0%、9.7%和1.5%，As含量分別降低34.4%、5.1%和26.7%，Pb含量分別降低5.8%、8.1%和4.7%。與>20~40cm土層相比，南部、北部地區>40~60cm土層Cd含量分別降低25.0%和33.3%；南部地區As、Cr和Pb含量分別降低14.3%、15.3%和10.8%，而北部地區As、Cr和Pb含量反而升高15.7%、7.0%和0.8%；與>40~60cm土層相比，南部地區>60~80cm土層Cd、As、Cr和Pb含量分別降低38.6%、61.1%、25.5%和24.1%。
3討論
3.1分區的合理性和數據有效性問題
筆者充分收集了近20a來我國設施農田重金屬的研究結果并對其進行統計分析。收集過程中，華南地區廣東、廣西和福建等地以及西南地區四川、重慶和貴州等地均未見相關研究，且我國設施農業分布呈現明顯的區域化特點，主要集中在環渤海灣及黃淮海地區、長江中下游地區以及西北地區。故參考農業氣候區劃，并同時考慮文獻中不同研究地區土壤pH值，將收集到的數據分為南部、北部和西北部3大區域進行統計分析。關于數據的準確性方面，雖然收集的時間尺度較長，但對設施農田重金屬的研究多集中在近10a，樣品的分析方法業已規范，檢測精度相對較高，且在數據統計分析過程中剔除了異常值。考慮到數據分布的不均勻性，對樣點較為集中的區域，只保留最新的研究數據，以提高分析結果的準確性。在數據統計方面，既統計了各個地區多個點位土壤重金屬含量的平均值，也統計了區域的最大值和最小值，但以平均值評價各地區設施農田重金屬污染水平可能存在一定偏差。
3.2我國設施農田重金屬污染空間分布特征
從收集到的數據可看出，我國設施農田土壤重金屬含量呈現一定的空間分布特征，南部地區土壤Cd、Pb和Hg平均含量最高，北部地區As、Cu、Zn和Cr平均含量最高，而西北部地區Ni平均含量則最高。地累積指數表明南部地區土壤Cd和Hg為中度污染和輕度污染，北部地區土壤Cd、Hg均為輕度污染，而西北部地區土壤Hg為中度污染，其余元素的平均地累積指數均顯示無污染；此污染趨勢與不同地區設施農田土壤重金屬含量水平所顯示的結果基本一致，曾希柏等對我國菜地重金屬的研究也表明Cd、Hg污染較嚴重。設施農田土壤Cu、Zn和Pb含量與種植年限呈顯著正相關關系，但是不同重金屬元素累積速率有所差異，其中Cu和Zn累積速率最快，Cr、Pb次之，而Cd累積速率最慢，這與賈月慧等對北京郊區設施菜地的研究結果一致。
隨土層深度的增加，各地區土壤重金屬含量整體呈下降趨勢，但南部地區幾種重金屬含量隨土層加深而下降的趨勢大于北部、西北部地區(表5)。李樹輝對山東壽光的研究表明，不同土層中重金屬As、Cd、Cu、Zn、Cr和Ni含量隨種植年限的延長均有不同程度的增加，侯鵬程對上海松江地區的研究也得出類似結論。由此可見，重金屬在設施農田中均存在累積特性，且存在由表層向下遷移的趨勢。已有研究表明土壤pH值降低，重金屬溶解度則顯著升高，因此，隨灌溉水向下遷移的淋溶趨勢也就越大。同時，施用有機肥也可導致重金屬活性增強而加速重金屬的遷移。此外，干濕交替、淹水和溫度升高也可導致重金屬隨溶解性有機質(DOM)的淋濾作用增強。由此可見，土壤酸化、高溫環境、頻繁灌溉以及土壤有機質累積等因素均可導致設施菜地土壤重金屬向下層遷移。
3.3關于我國設施農田土壤重金屬污染來源的探討
研究表明設施農田土壤重金屬含量與肥料的施用有密切關系。薛延豐等對江蘇沿海地區的研究認為Cd、Cu和Zn與有機質、速效氮和速效磷可能具有相似的來源。李樹輝對吉林四平、甘肅武威的研究表明有機肥和化肥的施用可能是導致設施農田土壤Cd、Zn、Cr、Cu和Pb等累積的重要原因，但氮肥和鉀肥對土壤重金屬累積的影響較小。任順榮等通過定位試驗發現長期施用尿素未顯著提高土壤Cd、Cr、As和Hg含量，氮磷鉀肥料配施和氮磷肥料配施兩種處理之間土壤Cr、Hg和As含量不存在顯著差異，但磷肥能夠顯著增加土壤Cd含量。由此可見，施用磷肥可能是土壤Cd累積的主要來源。有機肥中重金屬含量遠高于化肥，而不同種類有機肥中重金屬含量也有所差異，以畜禽糞便為主要原料的商品有機肥中Cu、Zn含量高于以造紙廢棄物、腐植酸和作物秸稈等為原料的商品有機肥。王美等報道施用有機肥的土壤Cu、Zn、Pb和Cd含量比不施用有機肥的土壤增加0.08~13.98、0~26.5、1.63~5.31和0~0.34mg·kg-1。
畜禽糞便已經成為最主要的基肥之一，農戶為追求高產會施入大量有機肥，加之，設施農田復種指數高，導致肥料投入量更大。由此可見，施用有機肥能加大土壤污染風險，造成土壤重金屬，尤其是Cu、Zn的累積，這可能是我國設施農田土壤重金屬的最主要來源。尤其是北部地區的山東、河北等省是我國設施農田比較發達的地區，設施大棚集約化程度高，種植年限長，農業投入品總量大，導致土壤中As、Cu、Zn和Cr含量較高。
除肥料外，工業三廢的排放依舊是我國農田土壤重要的污染源。曾希柏等認為污泥/垃圾等固體廢棄物的農業利用，是我國菜地土壤重金屬含量增高的一個重要原因。于彩蓮等對哈爾濱蔬菜大棚的研究表明Cd超標嚴重可能與采樣地長期污灌歷史有關。我國南部地區以及北部地區的遼寧、吉林等省經濟相對發達，采礦、冶煉和造紙等工業排放，以及歷史污灌等都造成農田重金屬污染，部分農田改為設施農田后，土壤重金屬污染仍存在。張小敏等對我國農田土壤重金屬分布特征的研究表明，南方地區由于工業活動和礦區開采，導致土壤Cd累積明顯強于北方地區。另外，Pb的工業污染源主要來自大氣沉降，肥料中Pb含量較低，設施菜地長期處于覆膜狀態，大氣沉降對其影響相對較小。
此外，含有Cd、Pb等重金屬元素的農藥、薄膜等其他農業生產投入品也會造成設施農田土壤重金屬累積。茹淑華等對河北省設施菜地的研究發現，由于老棉田、經濟作物田多年使用Hg、銅制劑和砷制劑等含重金屬的農藥，改造為設施農田后依然殘留大量重金屬污染物。此外，我國不同地區土壤的元素背景值不同，也是影響設施農田重金屬污染分布特征的重要因素，如西部高原地區西藏和青海等土壤背景值普遍較高，可能是導致西北部地區設施農田土壤Ni含量高于南部、北部地區的重要原因。
4結論
通過對國內外關于我國設施農田重金屬研究文獻的分析統計，發現我國設施農田重金屬呈現一定的空間分布特征，主要表現在以下方面：南部、北部和西北部3大地區設施農田土壤重金屬含量及其分布規律各異，其中，Cd、Pb和Hg含量以南部地區為最高，與我國南部地區工業活動頻繁且受到農業投入品的影響有關；而As、Cu、Zn和Cr含量則以北部地區為最高，除受到工業活動的影響外，近年來北部地區設施農業發展迅速，肥料(尤其是有機肥)施用量較大，可能也是造成這一現象的原因；Ni含量以西北部地區為最高，主要是由于西北部地區Ni的土壤背景值較高。我國設施農田土壤重金屬含量隨種植年限的延長而呈現不同程度的增加，表明重金屬在設施農田中有明顯累積，3大地區均以Cu、Zn的累積速率最快。設施農田重金屬含量呈現隨土層加深而下降的趨勢。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
